JP2014224010A - レーザ光照射によりガラス基板に貫通孔を形成する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光照射による貫通孔の形成後に、ガラス基板にクラックが生じ難い、貫通孔の形成方法を提供する。【解決手段】レーザ光照射により、ガラス基板に貫通孔を形成する方法であって、ガラス基板の貫通孔形成位置へのレーザ光の照射中に、前記貫通孔形成位置に向かって、前記ガラス基板と反応しないドライガスを吹き付ける工程を有することを特徴とする方法。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光照射により、ガラス基板に貫通孔を形成する方法に関する。

従来より、レーザ光照射により、ガラス基板の所望の位置に、１または２以上の微細な貫通孔（ビア）を形成する技術が知られている（例えば特許文献１）。

国際公開第２０１０／０８７４８３号

前述のように、レーザ光照射により、ガラス基板の所望の位置に、１または２以上の微細な貫通孔（ビア）を形成する技術が知られている。しかしながら、このような従来の方法では、ガラス基板に貫通孔を形成した直後、またはその後に、しばしば、ガラス基板にクラックが認められる場合がある。

このため、レーザ光照射によりガラス基板に貫通孔を形成しても、ガラス基板にクラックが生じない技術、またはクラックの発生を抑制できる技術が強く要望されている。

本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、本発明では、レーザ光照射による貫通孔の形成後に、ガラス基板にクラックが生じ難い、貫通孔の形成方法を提供することを目的とする。

本発明では、
レーザ光照射により、ガラス基板に貫通孔を形成する方法であって、
ガラス基板の貫通孔形成位置へのレーザ光の照射中に、前記貫通孔形成位置に向かって、前記ガラス基板と反応しないドライガスを吹き付ける工程を有することを特徴とする方法が提供される。

ここで、本発明による方法において、前記ドライガスは、乾燥空気または乾燥窒素であってもよい。

また、本発明による方法において、前記ドライガスを吹き付ける工程は、前記ガラス基板に前記レーザ光を照射する前から実施されてもよい。

また、本発明による方法において、前記ドライガスを吹き付ける工程は、前記ガラス基板に前記貫通孔が形成された後も継続されてもよい。

また、本発明による方法において、前記ドライガスを吹き付ける工程の後、前記ガラス基板に対して、残留応力を除去する処理が実施されてもよい。

また、本発明による方法において、前記ドライガスを吹き付ける工程の後、前記残留応力を除去する処理を実施するまで、前記ガラス基板は、露点が０℃以下の環境に保持されてもよい。

また、本発明による方法において、前記レーザ光照射の後、直流電圧印加により前記ガラス基板に放電が生じてもよい。

また、本発明による方法において、前記ドライガスは、室温のガスであってもよい。

本発明では、レーザ光照射による貫通孔の形成後に、ガラス基板にクラックが生じ難い、貫通孔の形成方法を提供できる。

本発明の一実施例による貫通孔形成装置の一構成例を概略的に示した図である。 本発明の一実施例による別の貫通孔形成装置の一構成例を概略的に示した図である。

以下、図面を参照して、本発明について説明する。

本発明では、
レーザ光照射により、ガラス基板に貫通孔を形成する方法であって、
ガラス基板の貫通孔形成位置へのレーザ光の照射中に、前記貫通孔形成位置に向かって、前記ガラス基板と反応しないドライガスを吹き付ける工程を有することを特徴とする方法が提供される。

前述のように、従来のレーザ光照射によりガラス基板に貫通孔を形成する方法では、ガラス基板に貫通孔が形成された直後、またはその後に、しばしば、ガラス基板にクラックが認められる場合がある。

このようなクラックが生じる詳細な理由は、今のところ十分に把握されていない。しかしながら、このようなクラックの発生、成長現象には、環境中に含まれる水分が影響している可能性がある。

例えば、ＣｈａｒｌｅｓとＨｉｌｌｉｎｇの応力腐食モデル（ガラス工学ハンドブック、第９８頁〜第９９頁）のように、応力存在下で、ガラスに微細なミクロクラックが生じ、このミクロクラック先端で、環境中の水分とガラスとの間の化学反応が進行することにより、ミクロクラックがマクロクラックに成長することが考えられる。

この他にも、環境中の水分による影響を推察する文献が多数存在する。

ここで、本発明は、レーザ光の照射中に、ガラス基板の被照射領域に対して、ドライガスを吹き付ける工程を有するという特徴を有する。

このようなドライガスを吹き付ける工程を実施した場合、クラックの成長に大きな影響を及ぼす可能性のある水分を、ガラス基板の被照射領域から排除することが可能となる。

従って、本発明では、レーザ光の照射中および照射後に、ガラス基板にクラックが発生、伝播することを有意に抑制できる。

ここで、ガラス基板の被照射領域に吹き付けられるドライガスの温度は、特に限られない。ドライガスの温度は、例えば、室温（２０℃〜２５℃）であってもよい。

また、ガラス基板の被照射領域に吹き付けられるドライガスは、水分含有量が少なく、ガラス基板に対して反応性の少ないものから選定される。そのようなドライガスは、例えば、ドライ空気、ドライ窒素、およびドライ二酸化炭素等であってもよい。

なお、本願において、「ドライガス」という用語は、その気体中に含まれる水分量の指標としての露点が０℃以下のものを意味する。露点は、０℃以下であることが好ましく、−３０℃以下であることがより好ましく、−６０℃以下であることがさらに好ましい。本願明細書中における露点の定義については、露点と霜点を含む広義の露点とし、大気圧基準とする。

（本発明による方法を実施するための装置の構成について）
次に、図１を参照して、前述のような特徴を有する本発明の一実施例による貫通孔形成方法を実施するための装置（貫通孔形成装置）の一構成例について説明する。

図１には、一例としての貫通孔形成装置１００を概略的に示す。

図１に示すように、この貫通孔形成装置１００は、レーザ光源１１０、レンズ１２０、およびガスノズル１３０を有する。

レーザ光源１１０は、レンズ１２０に向かってレーザ光１１５を放射する。レーザ光源１１０の種類は、特に限られない。例えば、レーザ光源１１０は、二酸化炭素レーザ、ＹＡＧレーザ、または紫外線レーザであってもよい。

レンズ１２０は、レーザ光１１５を収束して、ガラス基板１５０に照射される収束レーザ光１２５を形成する。なお、レンズ１２０は、必須の部材ではなく、省略されてもよい。この場合、レーザ光１１５は、収束されずにそのままガラス基板１５０に照射される。

ガスノズル１３０は、図示されていないガス源と接続されている。ガスノズル１３０は、先端１３２から、ガラス基板１５０の被照射領域１５５を含む領域に向かって、ドライガスを吹き付ける機能を有する。

なお、ガスノズル１３０の先端１３２の直径は、これに限られるものではないが、例えば、１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲である。また、ガスノズル１３０の先端１３２とガラス基板１５０の被照射領域１５５の間の距離ｄは、先端１３２の直径にもよるが、例えば、１ｍｍ〜１００ｍｍの範囲である。

前述のように、ドライガスの種類は、特に限られず、ドライガスは、ドライ空気、ドライ窒素、および／またはドライ二酸化炭素等であってもよい。

このような貫通孔形成装置１００を用いて、ガラス基板１５０に貫通孔１６０を形成する場合、まず、ガスノズル１３０から、ガラス基板１５０に向かってドライガスが吹き付けられる。この際には、ドライガスは、ガラス基板１５０の被照射領域１５５を含む領域に吹き付けられる。これにより、ガラス基板１５０の被照射領域１５５の近傍に存在し得る水分が除去される。

次に、ガスノズル１３０からドライガスを供給した状態のまま、レーザ光源１１０からレーザ光１１５が照射される。レーザ光１１５は、レンズ１２０により収束され、収束レーザ光１２５となる。この収束レーザ光１２５は、ガラス基板１５０の被照射領域１５５に照射される。これにより、ガラス基板１５０の被照射領域１５５が昇華除去され、その直下に、貫通孔１６０が形成される。

ここで、このような方法では、収束レーザ光１２５がガラス基板１５０に照射される前に、被照射領域１５５の周囲にドライガスが供給される。このため、収束レーザ光１２５による貫通孔１６０の形成過程は、被照射領域１５５の周囲に、水分がほとんど含まれない環境下で実施されることになる。従って、この場合、貫通孔１６０の形成中に、ガラス基板１５０にクラックが発生する可能性が有意に抑制される。

なお、このような効果を発現させるためには、原理上、ドライガスの吹きつけ工程は、必ずしも収束レーザ光１２５のガラス基板１５０への照射工程よりも前に実施される必要はない。すなわち、収束レーザ光１２５がガラス基板１５０に照射される工程と実質的に同時に、被照射領域１５５の周囲にドライガスを吹き付ける工程を実施してもよい。あるいは、ガラス基板１５０に対する収束レーザ光１２５の照射中に、被照射領域１５５の周囲にドライガスを吹き付ける工程を実施した場合も、従来に比べて、ガラス基板１５０にクラックが発生する可能性を有意に抑制できる。

ただし、レーザ光源１１０として、５０Ｗ程度のレーザ光１１５を発する装置を使用した場合、ガラス基板１５０に対する収束レーザ光１２５の典型的な照射時間は、ミリ秒以下のオーダである。この場合、収束レーザ光１２５がガラス基板１５０に照射された後の、収束レーザ光１２５の照射期間内に、被照射領域１５５の周囲にドライガスを吹き付ける工程を開始することは、事実上不可能である。従って、収束レーザ光１２５の照射時間内に、ドライガスの吹きつけの開始および／または完了を制御することは、現実的ではない。

このため、制御の容易さの観点からは、前述のように、収束レーザ光１２５がガラス基板１５０に照射される前から、または収束レーザ光１２５がガラス基板１５０に照射されると同時に、被照射領域１５５の周囲にドライガスを吹き付ける工程が開始され、収束レーザ光１２５によるガラス基板１５０への照射工程が完了した後も、ドライガスによる吹き付け工程を継続することが好ましい。

以上のように、例えば貫通孔形成装置１００を使用して、本発明の一実施例による貫通孔形成方法を実施することにより、貫通孔１６０の形成中、および貫通孔１６０の形成後に、ガラス基板１５０にクラックが発生する可能性を有意に抑制できる。

ここで、ガラス基板１５０にクラックが発生する可能性をよりいっそう抑制する場合、ガラス基板１５０に貫通孔１６０を形成した後、さらに、以下の処理（ポスト処理Ａおよびポスト処理Ｂ）を追加で実施してもよい。

（ポスト処理Ａ）
通常、貫通孔１６０の形成が完了した加工後のガラス基板１５０は、レーザ光の照射による高温化、およびその後の放熱による急冷化等の熱履歴の影響により、大きな残留応力を有していると考えられる。そこで、このような残留応力を除去するため、ポスト処理Ａとして、ガラス基板１５０に対して、残留応力除去処理を実施することが好ましい。

残留応力除去処理の条件は、特に限られない。例えば、ガラス基板１５０に対して熱処理を実施することにより、残留応力を除去してもよい。熱処理温度は、例えば、ガラス基板の徐冷点（ＪＩＳ Ｒ３１０３ Ｌｏｇη＝１３．０）±５℃の範囲であってもよい。また、熱処理時間は、例えば、０．１時間〜２時間の範囲であってもよい。

（ポスト処理Ｂ）
前述のようなポスト処理Ａを実施することにより、ガラス基板１５０の残留応力を除去することができ、これにより、残留応力によるガラス基板の「後割れ」を有意に抑制できる。

しかしながら、各種制約等から、貫通孔形成処理を実施した直後に、ガラス基板１５０に対してポスト処理Ａを実施することが難しい場合がしばしば存在する。逆に言えば、貫通孔形成処理完了後、ポスト処理Ａが実施されるまで、ガラス基板１５０を一時的にある場所に保管する必要が生じる場合がある。

そのような場合、ガラス基板１５０の保管中に、ガラス基板１５０が環境中の水分と接触する可能性が生じる。また、この際に、水分の影響により、ガラス基板１５０にクラックが生じるおそれがある。

このような問題に対処するため、ポスト処理Ａを実施するまでの間、ガラス基板１５０を露点が０℃以下の環境に保持することが好ましい（ポスト処理Ｂ）。露点は、−３０℃以下であればより好ましく、−６０℃以下であればさらに好ましい。

このようなポスト処理Ｂを実施することにより、貫通孔１６０の形成工程の後のガラス基板１５０の保管中であって、ポスト処理Ａを実施するまでの間に、ガラス基板１５０にクラックが生じることを有意に抑制することが可能となる。

（本発明による方法を実施するための別の装置の構成について）
次に、図２を参照して、本発明の一実施例による貫通孔形成方法を実施するための別の装置（第２の貫通孔形成装置）の一構成例について説明する。

図２には、一例としての第２の貫通孔形成装置２００を概略的に示す。

図２に示すように、第２の貫通孔形成装置２００は、基本的に図１に示した貫通孔形成装置１００と同様の装置構成を有する。このため、図２において、図１の貫通孔形成装置１００と同様の部材には、図１で使用した参照符号に１００を加えた参照符号が付されている。例えば、第２の貫通孔形成装置２００は、レーザ光源２１０、レンズ２２０、およびガスノズル２３０等を有する。

しかしながら、第２の貫通孔形成装置２００は、さらに、直流高圧電源２７０、および一組の電極２８０Ａ、２８０Ｂを有する点が、図１に示した貫通孔形成装置１００とは大きく異なっている。

電極２８０Ａおよび電極２８０Ｂは、それぞれ、配線２８５Ａ、２８５Ｂを介して、直流高圧電源２７０に接続されている。

このような第２の貫通孔形成装置２００を用いて、ガラス基板２５０に貫通孔２６０を形成する際には、電極２８０Ａ、２８０Ｂが、ガラス基板２５０を介して対向するように配置される。電極２８０Ａは、被照射領域２５５の近傍に配置される。

次に、前述の貫通孔形成装置１００の場合と同様に、ガスノズル２３０の先端２３２から、ガラス基板２５０に向かってドライガスが吹き付けられる。この際には、ドライガスは、ガラス基板２５０の被照射領域２５５を含む領域に吹き付けられる。これにより、ガラス基板２５０の被照射領域２５５の近傍に存在し得る水分が除去される。

次に、ガスノズル２３０からドライガスを供給した状態のまま、レーザ光源２１０からレーザ光２１５が照射される。レーザ光２１５は、レンズ２２０により収束され、収束レーザ光２２５となる。この収束レーザ光２２５は、ガラス基板２５０の被照射領域２５５に照射される。これにより、ガラス基板２５０の被照射領域２５５が溶融除去され、その直下に、貫通孔２６０が形成される。

次に、直流高圧電源２７０により、両電極２８０Ａ、２８０Ｂ間に、直流高電圧が印加される。これにより、電極２８０Ａ〜貫通孔２６０〜電極２８０Ｂ間において、放電が生じる。

このような放電を利用することにより、貫通孔２６０の周囲に「ネッキング」と呼ばれる狭窄部が形成される現象が緩和される。従って、第２の貫通孔形成装置２００を用いた場合、より高い精度で、ガラス基板２６０に所望の寸法形状の貫通孔２６０を形成できる。

なお、図２には示されていないが、第２の貫通孔形成装置２００は、さらに、高周波高電圧（ＨＦ）電源を備えてもよい。この場合、直流高圧電源２７０による放電の前に、２つの電極２８０Ａ、２８０Ｂを用いて、ガラス基板２５０に対して、高周波高電圧が印加される。高周波高電圧の印加により、残留応力を低減できる。

このような第２の貫通孔形成装置２００を用いた貫通孔形成方法では、貫通孔形成装置１００の場合と同様、収束レーザ光２２５がガラス基板２５０に照射される前に、被照射領域２５５の周囲にドライガスが供給される。このため、収束レーザ光２２５による貫通孔２６０の形成過程は、被照射領域２５５の周囲に水分がほとんど含まれない環境下で実施されることになる。従って、このような方法で貫通孔を形成することにより、貫通孔２６０の形成中に、ガラス基板２５０にクラックが発生する可能性が有意に抑制される。

なお、前述のように、ドライガスの吹きつけ工程は、必ずしも収束レーザ光２２５のガラス基板２５０への照射工程よりも前に実施する必要はない。例えば、収束レーザ光２２５がガラス基板２５０に照射される工程と実質的に同時に、被照射領域２５５の周囲にドライガスを吹き付ける工程を実施してもよい。あるいは、もし可能な場合、ガラス基板２５０に対する収束レーザ光２２５の照射中に、被照射領域２５５の周囲にドライガスを吹き付ける工程を実施してもよい。

また、ドライガスによる吹き付け工程は、収束レーザ光２２５によるガラス基板２５０への照射工程が完了した後も、継続してもよい。

また、前述のように、ガラス基板２５０に貫通孔２６０を形成した後、さらに、ポスト処理Ａおよび／またはポスト処理Ｂを追加で実施してもよい。

これにより、ガラス基板２５０にクラックが生じることをより確実に抑制することが可能となる。

本発明は、レーザ光照射によりガラス基板に貫通孔を形成する方法等に利用できる。

１００ 貫通孔形成装置
１１０ レーザ光源
１１５ レーザ光
１２０ レンズ
１２５ 収束レーザ光
１３０ ガスノズル
１３２ 先端
１５０ ガラス基板
１５５ 被照射領域
１６０ 貫通孔
２００ 第２の貫通孔形成装置
２１０ レーザ光源
２１５ レーザ光
２２０ レンズ
２２５ 収束レーザ光
２３０ ガスノズル
２３２ 先端
２５０ ガラス基板
２５５ 被照射領域
２６０ 貫通孔
２７０ 直流高圧電源
２８０Ａ、２８０Ｂ 電極
２８５Ａ、２８５Ｂ 配線

Claims (8)

1. レーザ光照射により、ガラス基板に貫通孔を形成する方法であって、
   ガラス基板の貫通孔形成位置へのレーザ光の照射中に、前記貫通孔形成位置に向かって、前記ガラス基板と反応しないドライガスを吹き付ける工程を有することを特徴とする方法。
2. 前記ドライガスは、乾燥空気または乾燥窒素である、請求項１に記載の方法。
3. 前記ドライガスを吹き付ける工程は、前記ガラス基板に前記レーザ光を照射する前から実施される、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記ドライガスを吹き付ける工程は、前記ガラス基板に前記貫通孔が形成された後も継続される、請求項１乃至３のいずれか一つに記載の方法。
5. 前記ドライガスを吹き付ける工程の後、前記ガラス基板に対して、残留応力を除去する処理が実施される、請求項１乃至４のいずれか一つに記載の方法。
6. 前記ドライガスを吹き付ける工程の後、前記残留応力を除去する処理を実施するまで、前記ガラス基板は、露点が０℃以下の環境に保持される、請求項５に記載の方法。
7. 前記レーザ光照射の後、直流電圧印加により前記ガラス基板に放電が生じる、請求項１乃至６のいずれか一つに記載の方法。
8. 前記ドライガスは、室温のガスである、請求項１乃至７のいずれか一つに記載の方法。

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